大量級振動試驗分析與應用研究

戴秀芬+黃凱+袁杰+王劍

摘 要：在航空航天產品的驗收和鑒定試驗中，經常遇到振動時間短、量級大的振動條件，正確地把產品、振動條件、試驗人員、試驗設備融合到最佳狀態是保證試驗結果可靠性的重要一環。

關鍵詞：振動試驗；大量級振動條件；最佳試驗狀態

引言

振動試驗是力學環境試驗中的一種，它是在實驗室模擬產品周轉、貯存和使用中各種振動環境，以驗證產品環境適應性的有效方式。

在航空航天產品的驗收和鑒定試驗中，經常遇到振動時間短、量級大的振動條件，此類振動試驗不僅對控制精度要求非常高，而且對設備的損傷也很大，為了能順利可靠地完成此類試驗，就需要檢測人員根據產品的特點，結合試驗條件，運用和處理好試驗設備，做好大量級試驗的一切細節工作。

1 儀器設備的選擇

1.1 振動臺的選擇

（1）隨機振動中隨機推力的計算

式中：Fr為隨機推力；

Σm為振動臺系統的質量、夾具和產品質量的總和；

arms為隨機振動的加速度總均方根。

總均方根值的計算方法：隨機振動功率譜均方根值是其譜密度曲線下的總面積的開方。

工程上功率譜總均方根值arms的計算公式為

式中： f1為試驗規范譜的起始頻率（Hz）；

f2為試驗規范譜的終止頻率（Hz）；

Gpsd（f）為試驗規范譜的幅值（g2/Hz）。

根據式1-1計算出需要的推力，然后盡可能選擇比計算結果大1.5倍以上推力的振動臺。有些振動臺隨機振動試驗時振動臺推力只能達到滿推力的70%（要看設備使用說明書），最好再乘以0.9的安全系數。

（2）正弦振動各參數關系

正弦振動的大小通常可用振動參數如頻率、位移、速度和加速度不同量值來表征，只要是正弦振動規律，各參量就有固定的數學關系。

式中 am為最大加速度（g），g=9.8m/s2；

Xm為最大位移（亦稱單振幅位移）（mm）；

Vm為最大速度（m/s）；

f為頻率（Hz）。

如果是正弦掃描振動，振動臺的選擇一定要考慮到低頻段最大幅值的制約，不因臺體的相對運動可能造成超位移的情況；最大速度的制約，因為交越點容易超速度的情況；最大加速度的制約。

1.2 振動儀的選擇

正弦振動控制儀的選取一般根據要求考慮頻率范圍、交越點數目、掃描速率范圍、掃描方式等均能滿足試驗要求即可。

選擇隨機振動控制儀時，振動譜動態范圍，功率譜均衡精度和回路時間是很重要的技術指標，尤其是振動譜的動態范圍是決定隨機振動系統控制能力的指標，直接影響著功率譜的均衡精度。因大量級振動要求從起振到進入規定量級容差范圍的過渡時間盡可能短，這就要求隨機振動控制系統具有快速“均衡”的能力。

1.3 傳感器的選擇

優先選擇靈敏度小、精度高、穩定性好的傳感器（如丹麥或PCB傳感器），其目地都是為了減小設備的輸出，避免造成功放過電流或者超電壓的情況，同時也避免低頻段曲線飄和高頻段控制超差的問題。

2 安裝和固定

2.1 產品、夾具的安裝和固定

產品和夾具應考慮螺釘固定，連接時螺栓緊固最好采用測力扳手，扭轉力矩根據振動臺使用說明書決定。扭轉力矩太大會損壞振動臺的螺紋孔；扭轉力矩太小固定不緊。如果振動臺使用說明書未給出這樣的數據，則可以使用彈簧墊圈，以彈簧墊圈壓平為緊固的標準。不推薦從機加工中移植過來的“壓板”安裝，螺釘比壓接有更高的諧振頻率，“壓板”安裝可能引起的諧振頻率與螺接安裝可能引起的諧振頻率之比是1：（10～100）。

若固定在水平滑臺上則應盡量遠離動圈安裝。經試驗得出：當負載分別安裝在水平臺的遠端和水平臺的近端（相對振動臺而言），兩個平面圖的試驗量級如果都是均方根值為50m/s2（20～2000）Hz的平直隨機譜，通過試驗發現負載在遠端（有效值電壓是0.2V）勝過在近端（有效值電壓是0.5V）的驅動電壓。這個試驗使我們得出：在最大隨機試驗等級時，借助試件的安裝位置和控制加速度計在滑臺上合適的安裝位置，就可以達到二比一的好處。

2.2 控制傳感器的安裝

控制傳感器的安裝應在控制點上，控制點應選擇固定點或盡量靠近固定點并固定點剛性連接，可以選在試件與夾具的分離面上，也可以在夾具與振動臺的分離面上。選在試件與夾具分離面上比較合理，排除了夾具對振動傳遞造成的影響。

控制傳感器的安裝是極其重要的，安裝方式可以用螺釘固定，為了防止干擾通常在傳感器下面加上絕緣片，也可以用502膠水粘接，粘接不破壞夾具與臺面，但連接強度不如螺接，振動量級不太大（小于20g）時可以使用。傳感器安裝好之后，將導線連接好，并將導線用膠布固定試件或夾具上，避免導線頭和傳感器產生相對運動（當導線頭與傳感器有相對運動時容易產生干擾，而且導線容易松動）。

3 試驗過程的監控

在大量級隨機振動中，試驗量級的施加與均衡要監控整個過程，特別要注意以下幾個方面：

（1）控制曲線是否正常，是否出現超差現象。控制譜容量的設置一般應按試驗條件要求設置，可以全頻段只設一種，也可以分頻段設置不同值。如果試驗條件沒給出容差要求，推薦使用譜容差為：報警極限±3dB，中止極限±6dB。

（2）觀察總均方根加速度的實際值與目標值，一般情況下實際值會偏大。標準規定總均方根值加速度的容差為10%，如果目標加速度到滿量級，實際控制的量級超了容差，則視為過試驗。所以增加量級的時候不能盲目地加到滿量級，盡可能用手動模式，不能讓實際控制量級超過規定量級的10%以上。

（3）觀察功率放大器的電流和電壓，手動模式接近滿量級的時候，如果功率放大器接近滿負荷，電流和電壓波動會較大，此時均衡時間要足夠保證電流、電壓穩定，但是均衡時間不能超過總試驗時間的10%。然后再增加量級，增加梯度要小。

（4）特別是航天產品振動試驗時間短，且不能重復試驗，所以要及時保存曲線（尤其是監測曲線）以供備份，防止大量級造成傳感器振掉后無法給出真實可靠的數據。

4 結束語

何謂試驗，試驗是產品及試驗方法加上檢測人員、試驗設備和測試裝置的綜合體，缺一不可。大量級振動試驗在整個過程中，檢測人員必須根據產品特點、結合試驗條件嚴密而正確地控制試驗進行的全過程，只有這樣方可順利、安全、可靠地完成試驗，從而達到試驗目的。

參考文獻

[1]胡志強，法慶衍，洪寶林，等.隨機振動試驗應用技術[M].北京：中國計量出版社，1996.

[2]GJB150A-2009 軍用裝備實驗室環境試驗方法[S].中國人民解放軍總裝備部，2009.

作者簡介：戴秀芬（1964-），女，上海人，學歷：大專，工作單位：上海無線電設備研究所，工程師，研究方向：環境與可靠性試驗。